物体位置与空间关系的心理表征-中国科学院心理研究所

心理科学进展 2006，14（3）：321~327

Advances in Psychological Science

物体位置与空间关系的心理表征

赵民涛

（中国科学院心理研究所，脑与认知科学国家重点实验室，北京100101）（中国科学院研究生院，北京 100039）

摘要外界环境中物体位置与空间关系在记忆中如何表征，一直是空间认知研究领域探讨和争论的热点问题。该文从空间表征的参照框架、朝向特异性、组织结构和存储内容四个方面，系统回顾了近年来对空间表征形成机制与内在特征的理论探讨。在此基础上，进一步讨论了当前空间表征研究中存在的生态效度问题，以及以后将虚拟环境技术引入到空间认知研究中的发展趋势。

关键词空间表征，空间参照系，朝向特异性，路径知识表征，结构知识表征。

分类号B842

物体位置与空间关系在记忆中的心理表征，已经日益成为当前许多学科关注的热点问题。深入理解外界环境信息形成空间表征的认知机制与特征，不仅可以增进对人脑空间记忆和空间巡航能力的认识，而且在城市交通与应急逃生系统的规划、复杂人机系统交互界面的设计，以及智能机器人自主巡航系统的开发等方面也有着重大的应用价值。

近年来，随着功能磁共振成像（fMRI）和虚拟现实（virtual reality, VR）技术的应用，人们对空间表征的研究逐渐从认知行为表现[1~3]延伸到神经生理水平[4,5]，研究范围也从简单的实验室人工环境[6,7]逐步扩展到较为复杂的自然环境（如校园、公园和城市等）[8]和虚拟环境 [3,4,9]。研究视角涵盖了空间表征的参照框架、朝向特异性、组织结构、表征形式、存储内容、机器模拟以及神经机制等各个方面。本文将从其中四个重要方面，系统回顾近年来对物体位置与空间关系的心理表征的探讨与争论，并对其进行简单评价。然后，在总结已有空间表征研究的主要轮廓与初步结论的基础上，结合当前研究中存在的相关问题，对以后空间表征研究的趋势进行了简单的讨论。

1 空间表征的参照框架：自我参照系表征与环境参照系表征

环境中物体的位置和空间关系总是相对于特定空间参照框架（如经纬度坐标系、笛卡儿坐标系或者极坐标系等）来确定的，空间记忆中物体位置与空间关系的心理表征也同样需要选择特定的空间参照系。Klatzky[10]和Newcombe[11]将表征物体位置与空间关系的参照框架分成两类：自我参照系统和环境参照系统。在自我参照系表征（egocentric representation）中，物体的位置是相对于观察者（如眼睛、头和躯体等）来表征的，随着观察者的运动，空间表征也在不断的更新。而在环境参照系表征（allocentric representation）中，物体的位置是相对于环境中其他物体（如标志性建筑、主要道路等）来表征的。自我参照系表征强调物体的位置表征是瞬间的而且不断更新的，物体之间空间关系不是直接表征在记忆中，而是通过物体相对于观察者的位置计算出来的。环境参照系表征则认为，物体位置与空间关系都被表征在记忆中，而且是持久和稳定的。

收稿日期：2005-06-28

通讯作者：赵民涛，E-mail: zhaomt@

Wang和Spelke认为，物体位置在记忆中是以自我参照系来表征的[2,12]。在其中一项系列实验研究中，被试首先学习房间中六个物体的位置，然后分别在自主转动、迷向（disorientation）和重新定向（reorientation）条件下完成物体位置指向任务。

结果发现，与自主转动和重新定向条件相比，被试在迷向情况下对物体空间结构关系的提取准确性明显变差。他们由此认为被试形成的是基于自我参照系的空间表征，因为在自主运动过程中，被试可以较为准确的更新物体相对于自己的位置表征。而在迷向情况下，这种动态更新过程因为自我朝向感

321

-322- 心理科学进展 2006年

的丧失而中断，因此被试不能再依靠动态更新的自我参照系表征来完成位置指向任务，从而造成指向错误和物体空间结构关系错误（configuration error）的增加。关于物体与环境参照系的关系，虽然他们认为个体可以形成对环境几何信息（environmental geometry）的表征，而且这种表征对于重新定向非常重要[13]，但他们却认为个体并没有形成相对于环境参照系的物体之间空间关系的表征。

在对半侧忽略症（hemisphere neglect）病人的实验研究中，也发现了支持物体位置自我参照系表征的证据。比如，某些类型的半侧忽略病人总是忽略（觉察不到）其左侧的物体，但其对左右空间的划分却是随着头、眼睛或者身体的转动而相应变化[14]。Graziano等人也发现，在额叶腹侧前运动区存在着基于肢体的空间信息参照框架。在这个框架中，视觉—触觉双模神经元的视觉感受野随着肢体或面部的移动而相应变化[15]。这表明，至少在知觉层次上，存在着以自我为参照系的空间表征。

McNamara及其同事的研究则认为，环境中物体位置与空间关系是以环境本身的内在参照系（intrinsic frames of reference）来表征的[1,16~18]。Mou 和McNamara的研究成功地分离了场景本身的内在参照系与观察者视线对物体位置与空间关系表征的影响，提供了个体可以形成非自我中心的（non-egocentric）空间表征的实验证据[16]。Shelton 和McNamara的研究则系统考察了影响内在参照系选择的因素，如整体与局部环境信息、观察视角、学习顺序等[1]。Mou和McNamara等人的最近研究则进一步表明，与环境中物体位置和相互空间关系的心理表征一样，观察者自身的位置和朝向也是相对于内在参照系来表征的[18]。除非遇到更为明显和突出的新的内在参照系，已经形成的空间表征是不会随着人的自主运动而更新的。关于物体相对于观察者的空间关系，他们认为这种空间关系仅在知觉水平（perceptual level）表征，以帮助个体完成实时空间任务（如抓握东西、避开障碍物等），但在没有知觉支持或主动复述（rehearsal）时会很快消退。Werner和Schmidt的工作也表明，在大范围自然环境中，物体位置也是以环境的内在参照系来表征的。在他们的实验中，被试对标志性建筑物位置的表征是基于街道网络（street grids）而非自我中心朝向的[8]。

物体位置与空间关系相对于环境参照系来表征，也获得了认知神经科学研究的实验支持。如在Ekstrom等的研究中，结合虚拟环境和单细胞记录技术，他们发现，只要被试到达虚拟城市中的特定位置，集结于海马和海马旁回的“位置神经元”（place cells）就会有剧烈放电反应，而且不受被试面朝哪个方向的影响[19]。Burgess和O’Keef高度评价了这个研究发现，并将其作为有力证据来支持物体位置和空间关系是基于环境参照系表征的认知地图（cognitive map）理论[20]。

外界环境中物体的位置与相互空间关系在记忆中究竟以自我参照系表征还是以环境本身的内在参照系表征的，目前仍然存在着理论争论。Newcombe认为[11]，自我中心参照系表征在没有较多感觉信息输入的特殊情况下（如在黑暗环境中或者没有区别性特征的环境中）优于环境参照系表征；但当环境特征信息存在并可以被感知到的情况下，环境参照系表征要优于自我参照系表征。因为，自我参照系表征有两个难以克服的弱点，一是物体空间关系是通过物体相对于观察者的表征计算出来的，而不是象环境参照系表征那样直接存贮在空间记忆之中，因而更易于出现错误；另一点是自我参照系表征不如环境参照系表征那样稳定和持久，从而可以允许个体在较长的时间范围内（如数月或数年后）恢复和提取物体位置与空间关系的信息。另外，表征的目的性，如用于空间巡航（spatial navigation）还是用于引导动作行为（action guidance），以及表征的环境尺度等可能都会影响空间记忆中不同参照框架的选择。

2 空间表征的朝向特异性：朝向独立性表征与朝向依赖性表征

空间表征的朝向特异性（orientation specificity），指的是环境中物体的位置和空间关系的心理表征是否具有特定的优势朝向。针对这个问题，不同研究者分别提出了空间表征独立于朝向（orientation-free）和空间表征依赖于朝向（orientation-specific）两种观点。前者认为表征环境中物体位置的空间参照系是没有特定朝向的，空间表征中的信息可以在任意朝向上被同等程度的提取和通达[3,21,22]；后者则提出环境中客体之间的空间关系是表征在特定朝向空间参照系之中的，在不同的提取朝向上，空间表征中的信息提取和通达的程度不同，空间表征本身存在着提取更为准确、